Ce mémoire présente une étude sur l'allocation avancée des ressources dans les réseaux LTE utilisant des femtocells, mettant en avant les algorithmes d’ordonnancement en liaison descendante. Il propose un nouvel algorithme basé sur la théorie des jeux pour améliorer l'utilisation de la bande passante et évaluer les performances du système. Les simulations réalisées montrent l'efficacité de l'algorithme proposé dans divers scénarios d'utilisation.

1. MEMOIRE
présenté en vue de l’obtention du
Diplôme de Mastère recherche
Spécialité: Système de communications
Présentée et soutenue par:
Alioune Laba Ndiaye
Allocations avancées des ressources dans les reseaux LTE femtocells
Encadreur:
Mr Ridha Boualllegue
Laboratoire de recherche :

2.  Sommaire
1-Introduction
2-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells
3-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink
4-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur la théorie des jeux
5-Simulation et interprétation
6-Conclusion et perspectives
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3. Introduction
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 Long Term Evolution(LTE) est une technologie mobile qui présente une évolution de l’UMTS après HSDPA et HSUPA
,aussi appelé 3,9G ou super 3G
 L’idée est que la 3G LTE permettra
Qu’est-ce que LTE ?
 Fonctionnement en mode IP
• Temps de latence beaucoup plus faible
• Un debit élevé jusqu’à 100 Mbps
Afin d’assurer la compétitivité et les promesses non encore tenues par la 3G
Pourquoi LTE ?

4. 2-Vue générale sur la LTE et concept de
femtocells
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5. Evolution des reseaux mobiles
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2G
2G +
3G
3G +
4G
GSM : 9,6 Kbit/s
UMTS : 2 Mbit/s
EDGE : 384 Kbit/s
GPRS : 171 Kbit/s
LTE : 150 Mbit/s
HSPA+ : 42 Mbit/s
HSDPA : 14,4 Mbit/s
Evolution en terme de :
 Capacité et couverture;
 Débit;
 Qualité de Service.

6. Objectifs du LTE
Débits 100
Mbps/50Mb
ps
Latence
réduite
RTT 10ms
Interconnexion
avec les autres
reseaux 3G
Bande
passante
modulable
Mobilité
allant
jusqu’à
500Kmh/
Efficacité
spectrale
ameliorée
Novelle
architecture
simplifié du
réseau
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7. Nouvelles technologies de retransmissions radios :
Changements principales
 OFDMA sur la liaison descendante (DL)
 SC-FDMA sur la liaison montante (UL)
 MIMO
Nouvelle architecture réseau:
 Station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB)
 nouveau cœur de réseau EPC (Evolved Packet Core)
Nouveau architecture protocolaire
 Réduction de la complexité
 Suppression des canaux dédiés
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8. Architecture du réseau lte
EPC
E-UTRAN
 Architecture du réseau lte devient très simplifié
 Le RNC de la 3G est éliminé et ses fonctionnalités son
affectées à l’eNB
Avantages
 Distribution de la charge de traitement du RNC sur l’eNB
 Réduction de la latence
 Les interfaces permettent de réduire les pertes de
paquets pendant l’intra E-UTRAN
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9.  Ils prennent généralement en charge les accès pour
les téléphones de 3e génération(3G)
Concept de femtocell
 les cellules femto sont des points d’acces sans fil de
faible puissance
 Les femtocells sont des stations de bases de petites tailles
 Souvent utile pour les utilisateurs indoor
 Le concept femtocell vise à combiner l’acces fixe à
large bande et la téléphonie cellulaire
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10. Vue générale sur le réseau HetNet
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Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 10 - 30 m
Utilisateurs : 4 – 8
Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 100 m
Utilisateurs : 8 –
32
Rayon : 5 Km
Utilisateurs : 1000+

11. Architecture de réseau LTE-Femtocell
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Macro UE
Femto UE
eNB
eNB
Broadband IP
Access
HeNB Broadband Access
Gateway
HSS
HeNB-GW /
Security GW
MME/S-GW
P-GW
Operator’s IP
Services
E-UTRAN
EPC
X2
S1
SGi
S1-U / S1-MME
S6-a
 La HeNB se connecte au EPC à travers les interfaces S1-U et S1-MME.
 Pour soutenir un grand nombre de HeNBs, une passerelle (HeNB-GW) est utilisée entre les HeNBs et EPC.
Uu
Uu

12. Avantages des femtocells
 Etendre la capacité et la couverture du réseau,
 Abaisser les élevés de l’infrastructure de réseau,
 Réduire la consommation de la batterie
Pour l’abonné :
 Assurer une meilleure couverture intérieure
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Pour l’operateur:
 Diminuer la charge de la macrocell,
 Réduire le rayonnement du mobile,

13. Défis des femtocells
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Défis
de
Femtocell
Qualité de service
Gestion de l’interférence
Auto-organisation Consommation énergétique
Mobilité
Sécurité
Le déploiement des femtocells fait face à des défis techniques de même que économique

14. 3-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en
downlink
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15. Algorithmes d’ordonnacement en Downlink
 Algorithmes utilisés pour l’allocation des ressources radio
 Amélioration des performances du système en augmentant l’efficacité spectrale et l’équité dans le
réseau
 Trouver un compromis entre l’efficacité et l’équité entre les utilisateurs
Plusieurs famille d’algorithmes ont été définit dont certaines ont des caractéristiques
communes
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16. Les algorithmes opportunistes(1)
Proportional Fair (PF)
 Il permet de faire le compromis entre le taux de données et le debit pour chaque
utilisateur,
 Il est utilisé pour les flux Non Temps Réel(NRT)
 PF alloue les ressources en tenant en compte de la nature du canal et le debit de
l’utilisateur,
 Le planificateur PF est représenté comme suit:
𝒂 =
𝒅𝒊 𝒕
𝒅𝒊
𝒅𝒊(𝒕) : Débit correspondant au CQI de l’utilisateur i.
𝒅𝑖:Debit maximal supporté par le RB
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17. Les algorithmes opportunistes(2)
Exponential Proportional Fairness(EXP/PF)
 EXP/PF maximise le debit des systèmes en garantissant un retard borné
 Il assure l’équité proportionnelle entre les utilisateurs
 EXP/PF soutient les applications multimédia dans une modulation et codage adaptatif
 EXP/PF choisit l’utilisateur k pour la transmission de la manière suivante:
K=𝑚𝑎𝑥𝑖
𝑎 𝑖
𝑑 𝑖 𝑡
𝑑 𝑖
exp 𝑎 𝑖 𝑊𝑖 𝑡 −𝑋
1+ 𝑋
X=
1
𝑁 𝐼 𝑎𝑖 𝑊𝑖(t) 𝑊𝑖 𝑡 : 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑙𝑒𝑟é 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥
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18. L’algorithme basé sur le délai
 Il supporte plusieurs données en temps réel
 Il essaie d’équilibrer les retards paquets pondéré et utilise la reconnaissance sur l’état efficace du
canal
 Il choisit l’utilisateur k pour la transmission de façon suivante:
K=𝑚𝑎𝑥𝑖 𝑎𝑖
𝑑 𝑖 𝑡
𝑑 𝑖
𝑊𝑖 𝑡 𝑎𝑖 =−log(𝛿𝑖)𝑇𝑖
Maximum-Largest Weighted Delay First (M-LWDF)
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19. Etude comparative des algorithmes
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algorithmes références Équité
partielle
Équité
générale
Condition
du canal
complexité Statut du
buffer
PF
EXP/PF
M-LWDF

20. 4-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en
downlink base sur la théorie des jeux
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21. Solution d’ordonnacement dans les reseaux LTE
femtocells
 Le but est d’adapté un jeu de négociation basé sur la théorie des jeux en utilisant la
valeur de Shapley et les jeux de faillites,
 Distribution de la bande passante entre les classes de services,
 Améliorer la planification de l’allocation en liaison descendante en utilisant EXP-RULE
modifié avec le mécanisme de jeton virtuel,
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22. Présentation de notre solution
utilisateurs
Distributions des ressources en utilisant la théorie des
jeux
Allocation des ressources à base d’un
ordonnanceur modifié basé sur le mécanisme des
jeton virtuels
P1,N1 P3,N3P2,N2
B3B2B1
1e niveau
2e niveau
Classe P1
Classe P3Classe P2
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23. Les étapes de notre algorithme
Les utilisateurs sont divisés en trois(3) classes P1,P2 et P3
Classification des utilisateurs par priorité(1)
 La classe P1 représente les utilisateurs femtocells
 La classe P3 concerne les autres
 La classe P2 représente les utilisateurs de même operateur
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24. Les étapes de notre algorithme
Distribution de la bande passante par jeux de faillite(2)
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25. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
Cette allocation se fera en deux(2) phases:
1er phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Cette valeur est définie comme suit:
∅𝑖 v = 𝑆𝜖𝑁 𝑆 −1 !(𝑛− 𝑆 )!
𝑛!
(V(s) –V(S{i})
V est le gain moyen pour chaque joueur
Ou:
∅𝑖 v :est la fonction du joueur i
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26. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
1er phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Nous définissons le scenario suivant:
 La bande passante par flux est donnée
comme suit={242,8,4,2}
 La bande passante C=c1,c2,c3=32Mbps (50RBs
par TTI)
 N=A,B,C les acteurs de notre scenario
 Les classes suivantes : vidéo=A, VoIP=B et
CBR=C
Le jeux de la bande passante est modélisé comme
(N;𝑣𝑐 𝑔) ou |N|=3
𝑣𝑐 𝑔 𝑆 =max{ 𝐶𝑗 − 𝐼𝜖𝑁S 𝑔𝑖, 0 }
v(N)=𝐶𝑗
Notre fonction caractéristique est défini comme suit
:
V(1)=max{ 𝐶𝑗 −(8,4𝑘 𝐵 +2𝑘 𝐷),0}
V(2)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐵 +2𝑘 𝐷),0}
V(3)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐴 + 8,4𝑘 𝐵),0}
V(1,2)=max{ 𝐶𝑗 −2𝑘 𝐶,0}
V(1,3)=max{ 𝐶𝑗 −(8,4𝑘 𝐵,0}
V(2,3)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐴,0}
V(1,2,3)= 𝐶𝑗 −
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27. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
2er phase: allocation des ressources liées à chaque catégorie de flux
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28. Les étapes de notre algorithme
Ordonnancement des paquets niveau file d’attente
On se base sur l’algorithme EXP-RULE modifié
 EXP-RULE supporte des applications multimédias dans une modulation et codage
adaptatif
 l’utilsateur peut appartenir à un flux temps réel(RT) ou Non Temps
Réel (NRT)
 EXP-RULE choisit l’utilisateur j comme suit:
• 𝜇𝑖(t) est le débit de données de l’utilisateur i à
l’instant t
• 𝑊𝑖(t) est le retard du paquet HOL
• 𝜇𝑖(t): Est le debit moyenne supporté par le canal
𝑇𝑖 ∶le plus grand retard que l’utilisateur peut tolérer
𝛿𝑖 : Probabilité de retard violé
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J= 𝑚𝑎𝑥𝑖 𝛼𝑖
𝜇 𝑖(𝑡)
𝜇 𝑖
Exp (
𝑎 𝑖 𝑊𝑖(𝑡) − 𝑎𝑊
1+ 𝑎𝑊
)

29. Simulation et interprétation
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30. Paramètres de simulation
2-Paramètres de simulation
 Le debit
1-Les indicateurs de performances à étudier:
 Le taux de perte de paquets (PLR)
 Le délai de transite
 l’indice de l’equité
 Vidéo bitrate :242 kbps
 Scheduling time(TTI) :1 ms
 Radius : 1km
 Slot duration :0,5ms
 Bandwidth : 10 Mhz
 Frame structure :FDD
 Simulation duration:120 s
 VoIP bitrate :8,4 kbps
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31. Résultats de simulation
1-taux de pertes de paquets pour les flux vidéos
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32. Résultats de simulation
2-taux de pertes de paquets pour les flux VoIP
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33. Résultats de simulation
3-indice de l’équité pour les flux vidéo,
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34. Résultats de simulation
4-average throughput pour le flux vidéo,
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35. Résultats de simulation
5-l’efficacité spectrale
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36. Conclusion
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 Etude des algorithmes d’ordonnancement en downlink basé sur des principes mathématiques
 Evaluation des performances du système en se basant sur la théorie des jeux,
 Vue générale sur les reseaux hétérogènes,